Общая структура процессоров

Общая структура процессоров. Процессор осуществляет непосредственно обработку данных и программное управление процессом обработки данных.

Он синтезируется в виде соединения двух устройств: операционного и управляющего (рис. 1) Вход данных U1 U2 Un Y1 Х1 Y2 x s+1 Yn XS XL Z1 Z2 Zn Выход данных Операционное устройство (ОУ) – устройство, в котором выполняются операции. Оно включает в качестве узлов регистры, сумматоры, каналы передачи информации, мультиплексоры для коммутации каналов, шифраторы, дешифраторы и т. д. Управляющее устройство (УУ) координирует действия узлов операционного устройства; оно вырабатывает в некотором временной последовательности управляющие сигналы, под действием которых в узлах операционного устройства выполняются требуемые действия.

Процесс функционирования операционного устройства распадается на последовательность элементарных действий в его узлах: 1) установка регистра в некоторое состояние (например, запись в регистр R1 числа 0, обозначаемая R1 ← 0); 2) инвертирование содержимого разрядов регистра (например, если регистр R2 содержал двоичное число 101101, то после инвертирования его содержимое будет равно 010010; такое действие обозначают R2 ← ( )); 3) пересылка содержимого одного узла в другой (например, пересылка содержимого регистра R2 в регистр R1, обозначаемая R1 ← (R2)); 4) сдвиг содержимого узла влево, вправо (например, сдвиг на один разряд влево содержимого регистра R1, обозначаемый R1 ← СдвЛ (R1)); 5) счет, при котором число в счетчике (регистре) возрастает или убывает на единицу (Сч ← (Сч ±1)); 6) сложение (например, R2 ← (R2) + (R1)); 7) сравнение содержимого регистра на равенство с некоторым числом; результат сравнения: лог.1 (при выполнении равенства) либо лог.0 (при невыполнении равенства); 8) некоторые логические действия (поразрядно выполняемые операции конъюнкции, дизъюнкции и др.). Каждое такое элементарное действие, выполняемое в одном из узлов ОУ в течение одного тактового периода, называется микрооперацией.

В определенные тактовые периоды одновременно могут выполняться несколько микроопераций, например R2 ← 0, Сч ← (Сч)-1. Такая совокупность одновременно выполняемых микроопераций называется микрокомандой, а весь набор микрокоманд, предназначенный для решения определенной задачи микропрограммой.

Таким образом, если в операционном устройстве предусматривается возможность исполнения n различных микроопераций, то из управляющего устройства выходят n управляющих цепей, каждая из которых соответствует определенной микрооперации.

И если необходимо в операционном устройстве выполнить некоторую микрооперацию, достаточно из управляющего устройства по определенной управляющей цепи, соответствующей этой микрооперации, подать сигнал (например, напряжение уровня лог.1). В силу того, что управляющее устройство определяет микропрограмму, т.е. какие и в какой временной последовательности должны выполняться микрооперации, оно получило название микропрограммного автомата.

Формирование управляющих сигналов Y1,…,Yn (рис.1) для выполнения микрокоманд может происходить в зависимости от состояния узлов операционного устройства, определяемого сигналами Х1,…,ХS, которые подают с соответствующих выходов операционного устройства на входы управляющего устройства.

Управляющие сигналы Y1,…,Yn могут также зависеть от внешних сигналов Х S+1, …, ХL. Для сокращения числа управляющих цепей, выходящих из управляющего устройства (в тех случаях, когда оно конструктивно выполняется отдельно от операционного), микрокоманды могут кодироваться. 2.1.3 Цифровые автоматы.

Цифровые автоматы – это логическое устройство, в которых помимо логических элементов имеются элементы памяти. Значение выходных сигналов такого устройства зависит не только от аргументов на входе в данный момент времени, но и от предыдущего состояния автомата, которое фиксируется элементами памяти. В качестве элементов памяти могут использоваться триггеры. Каждое внутреннее состояние цифрового автомата определяется исходным состоянием триггеров и последовательностью входных сигналов, действующих на входе в данный момент времени, поэтому такие устройства называются последовательностными схемами.

К последовательностным схемам можно отнести: триггеры, счетчики, регистры. В общем случае структурная схема цифрового автомата может быть представлена в виде набора трех узлов: комбинационной схемы формирования выходных сигналов, комбинационной схемы формирования сигналов управления триггерами и, собственно, памяти (рис.2) Рис.2. Управляющее устройство со схемной логикой.

На вход комбинационной схемы управления триггерами поступают комбинации входных сигналов Х1, Х2,…ХК, комбинации сигналов, отражающих состояние элементов памяти Q1, Q2,…Q m. С учетом этих множеств комбинационная схема формирует серии сигналов, управляющих состоянием триггеров. Кодовые комбинации состояния триггеров образуют внутренние состояния цифрового автомата, которые принято обозначать буквой а. Комбинационная схема формирования выходных сигналов создает сигналы У1, У2,…УР. которые могут использоваться для управления некоторыми узлами, для активизации процессов в других схемах.

Эти сигналы могут зависеть только от внутренних состояний: в этом случае устройство принято называть автоматом Мура. А если выходные сигналы зависят и от входных сигналов Х1, Х2,…ХК, то – автоматом Мили. Таким образом, для задания цифрового автомата необходимы три множества:  множество входных сигналов: Х1, Х2,…ХК;  множество выходных сигналов: У1, У2,…УР;  множество внутренних состояний: а1, а2,…аZ. На указанных трех множествах задают две функции: функцию переходов и функцию выходов.

Для автомата Мили эти функции имеют вид: а ( t+1) = f (a (t), (x(t)) y(t) = φ(a(t), x(t)); где а ( t+1) – новое состояние цифрового автомата; a(t) – предыдущее состояние автомата; y(t) – выходные сигналы текущего времени; x(t)- сигналы на входе в данный момент времени.

Для автомата Мура: а ( t+1) = f (a (t), (x(t)) y(t) = φ(a(t)); Последовательность действий автомата по формированию выходных сигналов и сигналов управления триггерами с учетом выходных сигналов может быть задана с помощью алгоритма. Алгоритм фактически является формализованным представлением задачи по построению цифрового устройства, где определены группы выходных сигналов для инициализации устройств схемы (например, операционное устройство процесса в зависимости от поступления тех или иных входных сигналов - х). Задавать цифровой автомат удобно с помощью графа.

Графом называется непустое конечное множество узлов (вершин) вместе с множеством дуг (ветвей), соединяющих пары различных узлов. Граф обычно представляется в наглядной форме, при этом вершины изображаются точками или кругами, которые помечаются с целью идентификации, а ветви изображаются линиями, соединяющими соответствующие узлы. Если каждой дуге также приписано направление, то такой граф называется ориентированным. Если направления не указаны, то граф называется неориентированным.

Данные представления полезны ввиду их наглядности. Вершины обычно соответствуют объектам некоторого вида (в цифровом автомате – внутренним состоянием), а дуги – физическим или логическим связям между ними. Таким образом, графы можно использовать для математического моделирования самых разнообразных систем и структур: электрических схем, вычислительных сетей и т.д. 2.2